摘 要： 本文通过流型观察与用HK-CMF质量流量计质量流量计测量油水混合物真实密度相结合的的方法对水平放置的HK-CMF质量流量计质量流量计中油水两相流中的持水率及相间的滑脱特性进行了实验研究。结果发现在含水率0.1-0.9、流速1.2-4.2m/s范围内，滑脱特性与管线中油水两相流的流型有很大的关系，油水相间既有正的滑脱，也存在负的滑脱。随着混合流量的增大，HK-CMF质量流量计质量流量计内，油水正负滑脱的转变点向持水率变小的方向移动。

关键字：滑脱速度 持水率 含水率 油水两相流 HK-CMF质量流量计质量流量计

      1 引言

      油水两相流广泛存在于石油、化学等工业中，两种互不相溶的流体在管线中流动时，其流动机理相当复杂。一般说来，每相的真实速度并不相同，通常也不对应于入口时的速度。这里我们定义轻质相（即油相）的真实速度与重质相（水相）的真实速度的差值为油水两相之间的滑脱速度，它们的比值称为滑动比。

      HK-CMF质量流量计质量流量计是国际上80年代发展起来的一种新型的、备受瞩目的直接式流量计量仪表，它可以实现对流体的流量、密度、温度、压力等多参数测量，目前已经广泛应用到石油、化工、食品等多个行业。国内外部分研究者^[1-2]对HK-CMF质量流量计在油水两相流的测量应用进行了研究，其中要么简单地对流量测量误差特性进行了研究，要么没有考虑油水两相流的滑脱特性。了解油水相间的滑脱特性对于油水两相流流量及含水率的准确测量至关重要，本文在以往研究工作^[3]的基础上对水平放置的HK-CMF质量流量计内油水两相流相间滑脱特性进行了研究。

      2 实验系统

      实验是在西安交通大学热能工程系油气水三相流实验台上进行的，实验回路如图1所示，主要由供水回路、供油回路两部分组成。

      实验流程如下：20#机油从油箱2由油泵3抽出，经椭圆齿轮流量计及HK-CMF质量流量计质量流量计13计量后，流入油水混合器14；水从水箱6中由潜水泵7抽出并经涡街流量计11计量后，流入油水混合器。在混合器内油水两相混合后流经长约10m的发展段，然后进入测量段中的HK-CMF质量流量计质量流量计15及流型观察段，最后油水两相流体经分离器5分离后，水、油分别返回水箱和油箱。

      在实验中，从分离器5分离出来的返回到油箱中油含有少量的水份，这部分水份已与油形成相对稳定的W/O乳化物，可以将它们看作为均质流体，其流量利用椭圆齿轮流量计12及HK-CMF质量流量计质量流量计13测量，密度由HK-CMF质量流量计质量流量计13计量。实验前用SYD -260石油水分测定仪对油路中乳化油的含水率进行测定，并与通过质量流量计所测得的密度而换算出来的含水率进行对比，证明两者能很好地吻合。为了消除气泡给测量带来的影响，回路中使用潜水泵给水，水路中使用的涡街流量计在使用前也用称重法进行了标定。

      实验中水路流量、油路的流量及密度、测量段中油水混合物的流量及密度采EVOC812PG数据采集板同时进行采集并输入计算机存储，采样频率为1kHz。实验用HK-CMF质量流量计质量流量计的计量精度：流量0.1%，密度±0.5kg/m³。实验工质：20#机油和自来水；实验参数范：含水率=0.1~0.9，流量=1.2~4.2m³/h。常温下，利用密度计测得20#机油的密度为868.5kg/m³，水的密度为1000kg/m³。

      3 实验结果分析

      由于从油水分离器分离出来流入到油箱中并由油泵送入实验回路的工质并非纯油，而是相对稳定的油包水乳化物，其性质稳定，即使在静止状态下很长时间也不能分离。所以在数据处理过程中，把这种油包水乳化物看成一相处理，而把由潜水泵送入到实验回路的单质水看成另一相。

      3.1 持水率随入口含水率的变化关系分析

      实验过程中，利用HK-CMF质量流量计质量流量计15测得油水混合物的密度，并通过如下计算式求得HK-CMF质量流量计中油水两相流的持水率：

      A_w=（ρ_m- ρ_o）/（ρ_w- ρ_o）                   （1）

      含水率通过如下计算式求得：

      X_w=Q_w/（Q_w+Q_o）                                （2）

      持水率随入口含水率的变化关系曲线如图2所示。

      利用Trallero^[4]对水平管线中的油水两相流流型的分类：分离流型（ST、ST&MT、D  O/W&W）和分散流型（O/W 、W/O 、DW/O&O/W），结合实验过程中的流型观察，对图-2曲线分析解释如下：从图中可以看出，入口含水率很低及入口含水率很高时，持水率与含水率几乎相等，这说明HK-CMF质量流量计中的油水之间滑脱很小、此时观察到的流型对应为W/O 、O/W 分散流型。而入口含水率0.2~0.8之间时，持水率与入口含水率差别相对较大。说明HK-CMF质量流量计中油水相间滑脱较大，观察到的流型基本为分离流型。特别的，持水率在入口含水率0.1~0.9的范围内，在较低的混台流量下，由于即使在入口含水率很小（约为0.1）时，流型也为分离流型，所以表现为持水率也明显高于相应的入口含水率。而在同一入口含水率下，混合流量较大时，由于流量计内油水两相之间的扰动增大，促使了两相之间的混合，所以在图中表现为持水率与入口含水率之间的差值变小。

      3.2 滑脱速度随持水率的变化关系分析

      实验中，水相、油相的体积流量分别通过安装在各支路上的涡街流量计11（或孔板流量计）、椭圆齿轮流量计12（或Corio1is质量流量计13）测量，持水率由实验段中的HK-CMF质量流量计质量流量计15通过测量混合物密度并由式（1）求得，那么油相、水相及油水相间的滑脱速度及滑动比的计算式如下：

      V_o=Q_o/A •a_o=Q_o/A • （1- a_w）        （3）

      V_w=Q_w/A •a_w                                    （4）

      V_s=V_o- V_w                                         （5）

      S=V_o/V_w                                           （6）

      图3、图4揭示HK-CMF质量流量计内油水相间的滑脱速度、滑动比随持水率的变化关系。我们已经知道，对垂直或倾斜上升管线中，水相总是重于油相，因而油相流动的速度比水相快，所以滑脱速度为正；相反，对垂直或倾斜下降管线，由于重力的缘故，水相流动的速度快于油相，所以滑脱速度为负。而从图-3，图-4我们可以看出，在实验范围内的水平放置的HK-CMF质量流量计中，油水相间既有正的滑脱，也存在负的滑脱。这是水平放置的流量计中，油水滑脱特性与垂直倾斜管线不同之处。

      从图中可以得出，正滑脱的时候，混合流量较小时的滑脱速度及滑动比较之于混合流量大时的滑脱速度及滑动比要大，对这一现象解释如下，从流型观察段我们可以观察到混合流量小的时候主要是分离流型，而混合流量较大时流型主要是分散流型的缘故。

      我们从图中还可以看到，随着混合流量的增大，油水两相流中，正负滑脱的转变点向持水率变小的方向移动，而且负滑脱时，同一持水率的条件下，混合流量大的滑脱速度的绝对值大于混合流量小时的滑脱速度。

      4 结论

      （1）结合实验结果分析与流型的观察，HK-CMF质量流量计内油水两相流的滑脱特性与流型有很大的关系，分离流型下，油水之间的滑脱较大，相反，在分散流型下，滑脱速度很小。
      （2）水平放置的HK-CMF质量流量计中，油水相间既有正的滑脱，也存在负的滑脱。
      （3）随着混合流量的增大，HK-CMF质量流量计内的油水两相流，其正负滑脱的转变点向持水率变小的方向移动，而且负滑脱时，同一持水率的条件下，混合流量大的滑脱速度的绝对值大于混合流量小时的滑脱速度。

      符号说明：

      a_w— 持水率
      a_o— 持油率（a_o=1- a_w）
      X_w— 体积含水率
      X_o—体积含油率（X_o=1- X_w）
      Q_w— 水路中所测的体积流量，m³/h
      Q_o— 油路中所测的体积流量，m³/h
      Q_m— 油水混合物的体积流量，m³/h
      ρ_w—水相的密度， kg/m³
      ρ_o— 油路中油包水乳化物的密度， kg/m³
      ρ_m— 混合物的真实密度，kg/m³
      V_w— 水相的速度，m/s
      V_o— 油路中油包水乳化物的速度，m/s
      V_s— HK-CMF质量流量计内油水相间的滑脱速度，m/s
      A— HK-CMF质量流量计管道横截面，m²
      S—滑动比